申请日2013.11.28
公开(公告)日2014.02.26
IPC分类号C02F3/00; G06F17/50
摘要
本发明提出了一种污水处理厂二沉池的优化设计方法。结合二沉池的初步设计参数值应用SCMT2G模型构建二沉池预测计算模块，结合污水处理厂其他生化反应单元的预测计算模块，进行设计进水水质下的预测分析，比较设计出水水质进行二沉池设计参数值的调整与优化，确定出合理的二沉池设计参数值。与传统设计法相比，本发明使污水厂的各项设计参数取值适当，能够描述与分析二沉池的反硝化情况，从而优化二沉池各部分设计参数的取值与计算，使系统的设计结果直观明了，有效化整个活性污泥处理工艺的设计与运行，适用于污水处理厂二沉池的的设计优化与运行管理。
权利要求书
1.一种污水处理厂二沉池的优化设计方法，其特征在于包括：二沉池模型SCMT2G构建、根据约束条件编制优化模型的程序并求解;具体步骤如下：
(1)二沉池模型SCMT2G构建：
SCMT2G模型假设二沉池是中心进水，把二沉池由上至下分为n层;第一层为二沉池的出水层;第5层为二沉池的进水层，也即从反应池流过来的混合液进入层，第n层为底层，这一层以沉降作用为主，污泥浓度值达到最大值，相当于实际二沉池中泥斗的最底层部分;二沉池结构示意图如图1所示。
模型中，假设同一层中，污泥浓度X值处处相同，而且每一层都达到物料平衡;由此得到关系式式1：
单位时间内任一层的污泥质量
(式中，Xi、zi、Ai分别为二沉池中第i层的浓度、高度与面积。)
考虑顶层进水口、出水口与底部出水口这些边界条件，综合式1、固体通量理论(把二沉池中的固体通量分为二部分：污泥颗粒自身重力引起沉降而产生的通量与水体的流动产生的通量)与进水浓度Xin、进水流量Qi的计算关系式，设二沉池的出水流量为Qe，排泥量Qw，回流量Qr，则进水量Qi=Qe+Qw+Qr，这些关系式，得到二沉池每一层的污泥浓度方程式，分别如下：
顶层(出水层，也即第1层)的污泥浓度方程式为式2;
(式2)
进水口以上的任一层(第i层，1 (式3) 进水层(第k层，2 (式4) 进水层以下底层以上的层(第m层，k (式5) 考虑模型表达式过于复杂或有多重循环计算时，易导致模拟计算出现死循环问题，根据以上模型的特点，对二沉池进行一定的假设;假设底层以上各层中因污泥浓度相对较小，可以忽略反硝化的作用，仍以对流流动产生的通量为主;二沉池的底层则因污泥沉降浓缩，氧气浓度几乎为零，同时又存在一定浓度的好氧池出水带入的硝酸盐氮，因此，这一层中，极易形成缺氧条件，二沉池的反硝化作用集中在此发生;由于系统中，二沉池的底泥大部分被回流到前面的反应池中，整个污泥系统是相互作用的，因此，除对流沉降特性外，二沉池底层中污泥的反 应特性应该与前面反应系统相同，既其反应机理相同，也即反应的机理模型相同。在最后一层――底层(第n层,通常n=10)中，综合描述二沉池活性污泥的脱氮除磷机理模型与二沉池的底层沉降模型，得到底层的浓度计算式为式6所示; (式6) 式中： V-为底层的体积;Qn-1—为倒数第2层的出水流量;Qn—为底层的出水流量; 式2、式3、式4、式5与式6即为二沉池一维生化沉降动态机理模型SCMT2G的机理;根据这一机理，可以模拟二沉池过程中所出现的程度不同的缺氧反应;在这些污泥浓度计算方程式中， Φup-为污泥固体颗粒因水流上升而产生的通量，这里，Φup,i=QeXi/Ai; Φdn-为污泥固体颗粒因水流下降而产生的通量，这里，Φdn,i=(Qw+Qr)Xi/Ai; Φs-为污泥固体颗粒因自重而产生的通量，这里，Φs,i=XiVs; Vs-为污泥固体颗粒的重力沉降速率; 这里： (式7) Xmin=fns*Xin (式8)其中，v0为最大理论沉降速率，推荐值为474m/d; v0′为最大实际沉降速率，推荐值为250m/d; rh为阻止沉降的沉降参数，推荐值为0.576L/g; rp为低浓度时的沉降参数，推荐值为2.86L/g; fns为悬浮固体中不可沉降部分所占的比值，推荐值为0.00228; (2)优化设计模块的构建与求解： 编制全厂生化平台主体WWTP模块并求解，步骤如下： 第一步，建立WWTP模块; ①建立SCTM2G的模块程序SCM; ②输入污水处理厂其它生化反应的模块程序ASP; ③连接构建出全厂生化平台主体WWTP模块; 第二步，输入初始值并初步运算; ①输入进水(实际或设计)水质水量数据; ②输入污水厂生化处理工艺包括二沉池的各初步设计参数值; ③运行计算，得出初步设计参数值下的二沉池出水水质; 第三步，优化并确定最终二沉池设计参数值; ①比较初步设计的出水水质与达标要求水质，不达标或设计参数取值过大则调整二沉池设计参数值; ②分析比较调整后的水质结果，直到得到最优设计结果; ③确定出最终二沉池设计参数值。 说明书 一种污水处理厂二沉池的优化设计方法 技术领域 本发明属于环境保护领域，具体涉及一种污水处理厂二沉池工艺的优化设计 方法。 背景技术 随着我国经济与社会的发展及城市化水平的不断提高，近年来，随着城市化 规模的扩大及工业生产的快速发展，人们生活水平提高，同时环保意识也日益加 强，水污染问题得到越来越大的关注。作为解决水污染的重要措施之一的污水处 理厂，国家及地方对其工艺设计与运行要求日益提高。越来越多的污水处理厂需 要提标改造或者新建扩建，以满足新的污水处理达标要求。 目前，国内外城市污水处理厂中，活性污泥法是被应用最多的处理工艺，在 我国有80%以上污水处理厂采用活性污泥工艺。二沉池是典型活性污泥工艺的重 要组成单元，其对污水的沉降与去除起着重要作用。因此，二沉池的设计与运行 好坏对最终污水处理厂的出水水质影响很大。 目前设计二沉池的主要依据是将二沉池作泥水分离池简单处理的点沉降模 型，仅考虑二沉池进水混合物中颗粒态物质向下沉降、溶解态物质随水流水平流 出，而忽略混合物在活性污泥存在下的生化反应影响，最终结果是沉降效果偏于 理想化而使二沉池设计参数值偏小，并无法分析二沉池的反硝化影响，易导致实 际运行效果不理想的后果。 目前研究较完善的二沉池沉降模型TAKACS模型虽然对二沉池混合物在沉降 上的影响描述较好，但仍没有考虑活性污泥在二沉池中的生化作用，因此对出水 的TN等参数预测精度不高。 除活性污泥法设计外，也有一部分污水厂采用试算法设计，试算法即利用以 数学模型为基础的模拟软件对传统设计结果进行调整，通过不断的选取活性污泥 工艺参数，直到所选参数使出水水质满足标准，并在满足要求的方案中选出最合 理的方案为最终结果。试算法由于结合了数学模型，使工艺参数设计上能够在传 统设计计算的基础上进行逐步的小幅度的优化，工艺设计方案的技术可靠性和经 济性都有一定的提高，但由于设计过程都是人为的控制，并没有将整个过程作为 一个优化系统来考虑，因此，方案也不是最优化的。 设计机理是将二沉绝大部分是采用设计手册中的参数法进行设计，这些传统 设计方法虽然较为成熟，但为了能够确保出水达到标准，通常设计参数取值很大， 过于安全保守，导致污水厂的基建费用很高，这限制了一些资金缺乏地区建设污 水厂时的应用。除活性污泥法设计外，也有一部分污水厂采用试算法设计，试算 法即利用以数学模型为基础的模拟软件对传统设计结果进行调整，通过不断的选 取活性污泥工艺参数，直到所选参数使出水水质满足标准，并在满足要求的方案 中选出最合理的方案为最终结果。试算法由于结合了数学模型，使工艺参数设计 上能够在传统设计计算的基础上进行逐步的小幅度的优化，工艺设计方案的技术 可靠性和经济性都有一定的提高，但由于设计过程都是人为的控制，并没有将整 个过程作为一个优化系统来考虑，因此，方案也不是最优化的。 一些计算机程序语言和软件已在众多工程研究领域中用以研究和解决实际的 工程和相关的数学问题，它们提供了一个优化问题求解的计算机编译平台，并能 够解决非线性回归，曲线拟合，非线性复杂工程模型参数估算求解等问题，因此 可利用这些工具来解决污水厂设计中的诸多问题，克服传统设计和TAKACS设计 所带来的不足，将整个设计过程作为一个系统来进行优化。本发明利用matlab进 行编制二沉池模块，结合ASP模型，建立WWTP模块进行优化计算并求解，确 定合理的二沉池设计参数值(如二沉池表面积、直径及二沉池各部分高度、污泥 回流比、排泥量)。 发明内容 本发明要克服现有技术的上述缺点，提供一种污水处理厂二沉池的优化设计 方法。 本发明提出的污水处理厂二沉池的优化设计方法，包括：二沉池模型 SCMT2G的构建和优化设计模块的构建与求解，具体步骤如下： (1)二沉池模型SCMT2G构建： 目前关于二沉池的模型有很多，由原来形式较简单的点沉降模型发展到了现 在被应用最多的一维动态模型，甚至还有多维动态模型。然而这些模型以研究二 沉池在垂直方向的水流运动与污泥的沉降性能为主。这些机理模型将二沉池仅作 为简单的泥水分离池考虑，尤其是应用较多的点沉降模型，其认为二沉池中所有 颗粒态物质包括污泥往下沉降，而溶解态物质则随水流流出。这样的模型应用， 最终导致二沉池的设计出水水质优于实际的出水水质，也即二沉池的设计参数取 值过于理想，易导致实际运行效果不理想。 根据研究与文献可知，二沉池中泥水分离效果受多种因素影响，且其中存在 的生化反应对二沉池的稳定运行有着重要影响，如反硝化和污泥上浮直接影响二 沉池的出水水质与回流污泥性质。因此，为提高二沉池的模拟预测结果的精确性， 增加其生物反应过程的描述，建立二沉池生化沉降动态模型(命名为：SCMT2G)。 建模的目标是描述二沉池的进水中污染物的二维沉降动态过程及其生化反应 过程，以能计算出二沉池表面积、池高等参数的不同对最终出水的影响结果，，最 终能够较合理地确定出二沉池各设计参数值，设计与优化二沉池。 SCMT2G模型假设二沉池是中心进水，把二沉池由上至下分为n层(如图1 所示,一般n取值10)。第一层为二沉池的出水层;第5层为二沉池的进水层，也 即从反应池流过来的混合液进入层，第n层为底层，这一层以沉降作用为主，污 泥浓度值达到最大值，相当于实际二沉池中泥斗的最底层部分。 模型中，假设同一层中，污泥浓度X值处处相同，而且每一层都达到物料平 衡。由此得到关系式式1： 单位时间内任一层的污泥质量 (式中，Xi、zi、Ai分别为二沉池中第i层的浓度、高度与面积。) 考虑顶层进水口、出水口与底部出水口这些边界条件，综合式1、固体通量 理论(把二沉池中的固体通量分为二部分：污泥颗粒自身重力引起沉降而产生的通 量与水体的流动产生的通量)与进水浓度Xin、进水流量Qi的计算关系式(设二沉 池的出水流量为Qe，排泥量Qw，回流量Qr，则进水量Qi=Qe+Qw+Qr)这些关系 式，得到二沉池每一层的污泥浓度方程式，分别如下： 顶层(出水层，也即第1层)的污泥浓度方程式为式2。 (式2) 进水口以上的任一层(第i层，1 (式3) 进水层(第k层，2 (式4) 进水层以下底层以上的层(第m层，k (式5) 考虑模型表达式过于复杂或有多重循环计算时，易导致模拟计算出现死循环 问题，根据以上模型的特点，对二沉池进行一定的假设。假设底层以上各层中因 污泥浓度相对较小，可以忽略反硝化的作用，仍以对流流动产生的通量为主;二 沉池的底层则因污泥沉降浓缩，氧气浓度几乎为零，同时又存在一定浓度的好氧 池出水带入的硝酸盐氮，因此，这一层中，极易形成缺氧条件，二沉池的反硝化 作用集中在此发生。由于系统中，二沉池的底泥大部分被回流到前面的反应池中， 整个污泥系统是相互作用的，因此，除对流沉降特性外，二沉池底层中污泥的反 应特性应该与前面反应系统相同，既其反应机理相同，也即反应的机理模型相同。 在最后一层――底层(第n层,通常n=10)中，综合描述二沉池活性污泥的脱氮 除磷机理模型与二沉池的底层沉降模型，得到底层的浓度计算式为式6所示。 (式6) 式中： V-为底层的体积;Qn-1—为倒数第2层的出水流量;Qn—为底层的出水流 量。 式2、式3、式4、式5与式6即为二沉池一维生化沉降动态机理模型SCMT2G 的机理。根据这一机理，可以模拟二沉池过程中所出现的程度不同的缺氧反应。 在这些污泥浓度计算方程式中， Φup-为污泥固体颗粒因水流上升而产生的通量，这里，Φup,i=QeXi/Ai; Φdn-为污泥固体颗粒因水流下降而产生的通量，这里，Φdn,i=(Qw+Qr)Xi/Ai; Φs-为污泥固体颗粒因自重而产生的通量，这里，Φs,i=XiVs; Vs-为污泥固体颗粒的重力沉降速率; 这里： (式7) Xmin=fns*Xin (式8) 其中，v0为最大理论沉降速率，推荐值为474m/d; v0′为最大实际沉降速率，推荐值为250m/d; rh为阻止沉降的沉降参数，推荐值为0.576L/g; rp为低浓度时的沉降参数，推荐值为2.86L/g; fns为悬浮固体中不可沉降部分所占的比值，推荐值为0.00228。 (2)优化设计模块的构建与求解： 编制全厂生化平台主体WWTP模块并求解，步骤如下： 第一步，建立WWTP模块; ①建立SCTM2G的模块程序SCM; ②输入污水处理厂其它生化反应的模块程序ASP; ③连接构建出全厂生化平台主体WWTP模块。 第二步，输入初始值并初步运算; ①输入进水(实际或设计)水质水量数据; ②输入污水厂生化处理工艺包括二沉池的各初步设计参数值; ③运行计算，得出初步设计参数值下的二沉池出水水质。 第三步，优化并确定最终二沉池设计参数值。 ①比较初步设计的出水水质与达标要求水质，不达标或设计参数取值过大则 调整二沉池设计参数值; ②分析比较调整后的水质结果，直到得到最优设计结果。 ③确定出最终二沉池设计参数值。 本发明提出的对污水处理厂二沉工艺的优化设计方法和传统的设计和试算法 设计相比，具有以下优点： (1)优化设计方法全面反映出二沉池的沉降过程与生化反应过程，在机理 上更进一步描述二沉池的多个过程，并可对二沉池的反硝化现象等进行描述与结 果预测，提高了预测结果的精度。 (2)优化设计过程由计算机程序控制，其将整个过程作为一个优化系统来考 虑，利用统一标准来约束出水水质，可以对多种水质参数以及各污染物质之间的 关系进行通盘设计，可靠性和经济性都有进一步的提高。 (3)本发明采用计算机编程模块，可快速地分析比较不同设计参数取值下的 二沉池出水结果，可以节省实际中试小试进行工艺比较的人力物力，节省成本提 高速度;通过全局优化算法，最终找出最优解，可以最大程度地优化各设计参数 值，达到二沉池设计参数合理取值的目的，从而提高二沉池的设计效果。